(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響探査子から音響弾性波をトンネル覆工の構造物に注入して、上記トンネル覆工の構造物の内部に存在する異常部位を検出するトンネル覆工検査方法において、
上記音響探査子は、トンネル内を通過する軌道上を走行可能な計測車両に搭載されたアーム機構に配置され、
上記軌道上の原点からのキロ程，基準マーキング，又は基準位置からの上記計測車両の変位情報と、上記計測車両上の基準点からの上記音響探査子の変位情報とに基づき、上記音響探査子の探査位置を計測して上記音響探査子を位置決めし、
上記探査位置に接触させた上記音響探査子から上記音響弾性波を注入し、上記探査位置に対応して上記音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算して上記トンネル覆工の内部の状態を判定することを特徴とするトンネル覆工検査方法。
【請求項２】
覆工位置を検出、表示及び記録することを特徴とする請求項１に記載のトンネル覆工検査方法。
【請求項３】
演算結果を表示及び記録することを特徴とする請求項１に記載のトンネル覆工検査方法。
【請求項４】
上記反射エネルギーレベルは棒グラフで表示することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のトンネル覆工検査方法。
【請求項５】
上記反射エネルギーレベルが同じである複数の探査位置を等高線で表示したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のトンネル覆工検査方法。
【請求項６】
上記アーム機構は、１軸又は複数軸の自由度を有する関節アーム機構とし、予めプログラムされた教示プログラムに基づくプレイバックにより、又は、予め計測動作がプログラミングされたプログラムにより、予め計画された上記探査位置に位置決めすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のトンネル覆工検査方法。
【請求項７】
上記音響探査子は音響弾性波の指向角と計測深度とから決定される計測範囲の幅、又は上記計測範囲の幅より狭い距離だけシフトさせることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のトンネル覆工検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル覆工の構造物の内部に音響弾性波を注入して、内部に存在する異常部位を検出するトンネル覆工検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル覆工検査方法は、ハンマーを使った打音検査が行われている。これはトンネル覆工面をハンマーで打振したときに発生する衝撃弾性波により、覆工内部の欠陥を検知するものである。この場合、ハンマーを装備した保守要員が計測車両、又は徒歩で検査の対象となる覆工位置へ移動する。そして、計測車両のバケット上又は対象地点に組まれた足場の上でハンマーを振り、その打音から覆工の状態を判断していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトンネル覆工検査方法は以上のように行われていたので、保守要員が手動でハンマーを打振するため、ハンマリングを一定の力で行うのが困難であり、判断基準も実施者の経験や勘によるところが大きいことにより、診断結果を定量的に把握することができないという問題点があった。
さらに、打振位置はチョーク等で打振点に直接マーキングするが、該当する目地からの位置を目算で手帳等に記録してハンマリング終了後に詰所においてトンネル展開図等の管理図面に転記するため、打振点の特定が明確ではないという問題点があった。
【０００４】
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、トンネル覆工内部に注入された音響弾性波の反射エネルギーレベルを算出することにより、トンネル覆工内部の状態を定量的に把握することができるトンネル覆工検査方法を提供することを目的とするものである。
さらに、基準点となる所定の位置からの音響探査子の位置を検出することにより、探査位置の精度を向上させることができるトンネル覆工検査方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるトンネル覆工検査方法は、音響探査子から音響弾性波をトンネル覆工の構造物に注入して、トンネル覆工の構造物の内部に存在する異常部位を検出するトンネル覆工検査方法において、音響探査子は、トンネル内を通過する軌道上を走行可能な計測車両に搭載されたアーム機構に配置され、軌道上の原点からのキロ程，基準マーキング，又は基準位置からの計測車両の変位情報と、計測車両上の基準点からの音響探査子の変位情報とに基づき、音響探査子の探査位置を計測して音響探査子を位置決めし、探査位置に接触させた音響探査子から音響弾性波を注入し、探査位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工の内部の状態を判定するものである。
また、覆工位置を検出、表示及び記録するものである。
また、演算結果を表示及び記録するものである。
また、反射エネルギーレベルを棒グラフで表示するものである。
また、反射エネルギーレベルが同じである複数の探査位置を等高線で表示したものである。
【０００６】
また、アーム機構は、１軸又は複数軸の自由度を有する関節アーム機構とし、予めプログラムされた教示プログラムに基づくプレイバックにより、又は、予め計測動作がプログラミングされたプログラムにより、予め計画された探査位置に位置決めするものである。
さらに、音響探査子は音響弾性波の指向角と計測深度とから決定される計測範囲の幅、又は上記計測範囲の幅より狭い距離だけシフトさせるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はトンネル覆工の一部を示す断面図で、欠陥の状態を示している。図２は実施の形態１の構成を示すブロック図である。図１及び図２において、１は地山、２は地山１の内側に構成されたトンネル覆工で、所定の覆工厚（巻厚）とされている。なお、２ａは覆工表面部であり、２ｂは地山１とトンネル覆工２との間に存在する空洞、２ｃはクラック及び２ｄはジャンカである。３はトンネル覆工２の覆工表面部２ａに圧接可能な音響探査子で、後述の駆動制御装置４から駆動電流が音響発振子（図示せず）に供給されることにより、連続的に周波数が変化する音響弾性波を発生してトンネル覆工２に注入すると共に、トンネル覆工２での振動現象による受信信号を受信する。４は駆動制御装置で、図３に示すように周波数が連続的に変化する駆動電流を音響探査子３に供給する。５は信号増幅器で、音響探査子３が受信した受信信号を増幅する。
【０００８】
６は信号処理装置で、信号増幅器５で増幅された受信信号から反射エネルギーレベルを演算して、反射エネルギーレベルを閾値と比較して内部欠陥の判定を行う。７は出力表示器で、信号処理装置６の演算結果を表示する。８は反射エネルギーレベル記憶装置で、信号処理装置６で演算された反射エネルギーレベルを記録する。９は探査データ記憶装置で、音響弾性波を注入した探査位置、反射エネルギーレベル及びトンネル覆工２の巻厚をセットにして記録する。１０は後述の計測車両１４に搭載されたバケット上に配置された手動操作の関節アーム機構で、音響探査子３を所定の位置に移動させると共に姿勢制御を行う。１１は関節アーム機構１０を駆動する駆動装置、１２は手動操作機構で、オペレータが駆動装置１１を介して関節アーム機構１０を手動で操作する。１３は関節アーム機構１０の位置を検出する関節アーム位置検出器、１４は軌道上を走行可能な計測車両である。１５は計測車両１４の位置を検出する車両位置検出器で、軌道上の原点からのキロ程、基準マーキング又は基準位置からの変位情報を出力する。１６は探査位置計測装置で、音響探査子３の位置を計測する。１７は計測位置データ記憶装置で、探査位置計測装置１６が計測した音響探査子３の位置を記憶する。
【０００９】
次に動作について説明する。図１から図３において、軌道上の計測車両１４をオペレータが操作して検査しようとするポイントに移動させる。計測車両１４の位置を車両位置検出器１５が検出して現在の位置情報を出力する。この位置情報により該当する位置に到達したことをオペレータが確認して、バケット１４を操作して探査位置の近傍へ移動させる。バケット上のオペレータは手動操作機構１２により駆動装置１１を介して関節アーム機構１０を手動操作して、音響探査子３を覆工表面部２ａ上の所定の探査位置に位置決めする。ここで、音響探査子３の位置は関節アーム位置検出器１３によりバケット１４の基準点からの変位情報として出力される。さらに、車両位置検出器１５は計測車両１４の軌道上における基準点からの変位情報を出力する。そして、探査位置計測装置１６は音響探査子３の変位情報と計測車両１４の変位情報とを基に、音響探査子３の探査位置を計測して計測位置データ記憶装置１７に記憶する。
【００１０】
音響探査子３の位置決めが完了すると、駆動制御装置４から図３に示す駆動電流が音響探査子３の音響発振子（図示せず）に与えられる。ここで、音響発振子（図示せず）は印加された駆動電流の大きさに応じた音響弾性波を発生する。このため、音響探査子３を計測対象のトンネル覆工２の覆工表面部２ａの探査位置に圧接接触させることにより、トンネル覆工２に音響弾性波を注入することができる。
音響探査子３から注入された音響弾性波はトンネル覆工２の内部を伝搬して、トンネル覆工２の内部構造に依存した特徴周波数で共振する。トンネル覆工２の内部に異常がない場合は、地山１側の覆工背面まで音響弾性波が伝搬して、覆工表面部２ａと覆工背面との距離（巻厚）に対応した縦振動が発生する。
【００１１】
もし、トンネル覆工２の内部にクラック２ｃ，ジャンカ２ｄ等の剥離欠陥が存在していると、これらの欠陥部と覆工表面部２ａとが形成する板構造の深度及び広さによって異なった振動現象を示す。この振動現象は覆工表面部２ａに圧接されている音響探査子３により受信信号として検出される。そして、この受信信号は信号増幅器５により増幅されて信号処理装置６内に取り込まれる。信号処理装置６は取り込んだ受信信号に対してＦＦＴ演算処理を行い周波数応答を作成する。さらに、信号処理装置６は周波数応答に対して式（１）により、反射エネルギーＥR の計算を行う。なお、式（１）において、Ｋは定数、ｆ1 は周波数積分の下限周波数、ｆ2   は周波数積分の上限周波数である。
【００１２】
【数１】
0004535581.tif 000002
【００１３】
このようにして検出された反射エネルギーレベルは、正常時における縦振動では小さいが、内部に欠陥が存在する場合には高くなる。信号処理装置６で算出された反射エネルギーレベルは実測データにより決定された閾値と比較して判断する。この場合、反射エネルギーレベルが閾値を超えている探査位置に対しては出力表示器７に剥離異常を表示する。そして、反射エネルギーが閾値より小さい探査位置に対しては非剥離を表示する。
また、非剥離の状態では周波数応答によりトンネル覆工２の巻厚を推定することができる。剥離が存在しない場合にはトンネル覆工２の内部で縦振動現象が励起される。この縦振動はトンネル覆工２の巻厚及びトンネル覆工２内の音響速度から式（２）の周波数で共振する。式（２）において、ｆL は縦振動の共振周波数、ｖはトンネル覆工２内の音響速度、ｄはトンネル覆工２の巻厚である。
ｆL ＝ｖ／２・ｄ・・・・・（２）
即ち、周波数応答において式（２）で示す周波数ピークが現れる。
従って、このピーク周波数から式（３）を使用してトンネル覆工２の巻厚を求めることができる。
ｄ＝ｖ／２・ｆL ・・・・・（３）
以上の結果に基づいて、探査位置に対応した反射エネルギーレベル及びトンネル覆工２の巻厚を一組にして探査データ記録装置９に記録する。
【００１４】
図４は音響探査子３の指向角を模式的に示した説明図である。図４は音響探査子３の指向角を約４５度とした例である。図４において、計測深度をＬとしたとき、探査可能な範囲はＷとなる。ここで、音響探査子３を探査可能範囲Ｗ、又は探査可能範囲Ｗより短い距離だけ移動させることにより、次の計測ポイントの位置１９では探査可能な範囲が重なる。従って、計測深度内を効率よく、かつ広域をカバーする探査が可能となる。
音響探査子３の移動は、バケット上のオペレータが手動操作機構１２を操作して、順次所定の探査位置へ移動させることにより、バケット上で計測できる範囲の計測を行うことができる。
【００１５】
実際のトンネルではバケット上で行う計測範囲より広範な領域を計測することが必要となる。このため、オペレータはバケットを次の計測箇所に移動させて作業を続行する。さらに、広範囲の計測を行うには計測車両１４を移動させて作業を行う。このようにして、複数の探査位置での計測を行うことができる。
このようにして所定の探査位置で得られた計測結果は図５に示すように表示される。図５（ａ）において、検出された反射エネルギーレベルが０．０５とすると、棒グラフ２０のように表示される。さらに、しきい値を０．０４に設定している場合、検出された反射エネルギーがしきい値を超えているので異常と判定された例である。状態表示部２１は、しきい値以下を正常として○印、しきい値を超えて所定値までを要監視として△印、それ以上を異常としてＸ印とする。さらに正常時には枠内を「青」、要監視時には枠内を「灰」、異常時には異常の度合によって、例えば度合の大きい方から「赤」、「オレンジ」、「黄」のように３段階のカラー表示する。
【００１６】
また、図５（ｂ）は複数箇所の探査位置で検出された反射エネルギーレベルをマッピングしたもので、探査位置を区画で示して縦区画４〜７、横区画３３〜３６の範囲の例が示されている。各探査位置毎に検出された反射エネルギーレベルの値が表示されると共に、図５（ａ）の場合と同様にしきい値に対して○、△、Ｘ印及びカラー表示がされる。
図６は反射エネルギーレベルを等高線で表示したものである。信号処理装置６において、各探査位置で得られた反射エネルギーレベルに基づいて、探査位置間の反射エネルギーレベルを補完演算して、等エネルギーレベルの輪郭を等高線で結ぶ処理を行う。そして、演算結果はクラック、ジャンカ等の欠陥部が存在する深さとして出力表示器７に表示される。この例では、探査位置を座標で示して縦座標４〜９、横座標６〜１３の範囲が示されている。
【００１７】
等高線は、例えばＡで示した範囲では欠陥部が６ｃｍ〜８ｃｍのところに存在する。Ｂは８〜１０ｃｍ、Ｃは１０〜１２ｃｍ、Ｄは１２〜１４ｃｍ、Ｅは１４〜１６ｃｍ、Ｆは１６〜１８ｃｍ、Ｇは１８ｃｍ以上の深さに欠陥部が存在する。なお、○印は従来の打音検査により「異常あり」と診断されたデータを、比較のために示したものである。
さらに、欠陥部が存在する深さに応じて等高線を色別するとか明暗度で表示することにより、欠陥部の把握が容易になる。
以上のように、基準点からの音響探査子３の位置を検出し、音響弾性波を注入した位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工２の内部の状態を判定することにより、トンネル覆工２の内部の状態を定量的に把握することができるので、トンネル覆工２の状態を時間的変化として管理できる。
【００１８】
実施の形態２．
図７は実施の形態２の構成を示すブロック図である。図７において、２〜９は実施の形態１のものと同様のものである。図７において、自動制御される計測車両２２は軌道上を探査位置まで移動する。なお、計測車両２２の操作は予め設定された移動指令信号により制御される。計測車両２２の位置は車両位置検出器２３で行い、軌道上の原点からのキロ程、基準マーキング又は基準位置からの変位信号をアーム位置制御器２４へ出力する。計測車両２２が該当する探査位置の近傍に到達すると、アーム位置制御装置２４がアーム駆動装置２５を介して関節アーム機構２６を操作して、音響探査子３を予め計画された探査位置に位置決めする。この場合、アーム駆動装置２５への信号出力は計測パターンデータベース２７に設定されている計測パターンにより行われる。音響探査子３の位置はアーム位置検出器２８により計測車両２２の基準点からの変位信号として出力される。アーム位置制御装置２４は車両位置検出器２３からの変位信号とアーム位置検出器２８からの変位信号とを基に、関節アーム機構２６の先端に配置された音響探査子３の探査位置の計測を行い、計測位置データ記憶装置２９に記憶する。
【００１９】
以上の動作は、産業用ロボット等で一般的なティーチング・プレイバック制御の応用例である。計測パターンは予め想定される計測動作を事前にオペレータが教示し、その経路情報を計測パターンデータベース２７に記憶しておくものである。
実際の計測作業時は先程記述した動作を、アーム位置制御装置２４が随時計測パターンデータベース２７から移動制御情報を読み出して実行することにより実現される。
以上はオペレータが介在して計測パターンを教示する例を説明したが、軌道上から見たトンネル覆工２の位置情報が既に数値データとして得られている場合は、関節アーム機構２６と架線等トンネル設備の干渉を考慮しながら事前に計測動作をシミュレーション等によりプログラミングが可能となる。
ここで探査位置について説明する。探査位置は、キロ程、および基準マーキング、および基準位置からの変位情報により計算される。キロ程は軌道上の原点を単位に管理されるため、計測車両２２の位置はキロ程にて絶対位置が管理できる。
【００２０】
一方、探査位置の近傍に設定される基準点は、例えば計測車両２２の位置が決定し、探査位置の近傍に移動したバケット位置を基準に設定することが可能である。一例として関節アーム機構２６の原点位置を基準点と設定することが考えられる。次にバケットを操作し、計測を行う位置での変位を変位情報とすれば計測点は式（４）から式（６）の演算により、絶対的な位置情報として出力される。
ｘ＝Ｘｋｉｌｏ＋Ｘｒｅｆ＋Ｘｄｉｓｐ・・・・（４）
ｙ＝Ｙｋｉｌｏ＋Ｙｒｅｆ＋Ｙｄｉｓｐ・・・・（５）
ｚ＝Ｚｋｉｌｏ＋Ｚｒｅｆ＋Ｚｄｉｓｐ・・・・（６）
図８にこれらの基準点、および探査位置の関係の一例を示す。図８において、Ｘｋｉｌｏ、Ｙｋｉｌｏ、Ｚｋｉｌｏは計測車両位置のキロ程の座標を示す。Ｘｒｅｆ、Ｙｒｅｆ、Ｚｒｅｆは関節アーム機構の基準点座標、Ｘｄｉｓｐ、Ｙｄｉｓｐ、Ｚｄｉｓｐは基準点座標から音響探査子位置までの変位座標である。また、音響探査子位置はｘ、ｙ、ｚである。
ここで添字ｋｉｌｏはキロ程の座標を示す。ｒｅｆは関節アーム機構の基準点座標、ｄｉｓｐは基準点座標から音響探査子位置までの変位座標であることを示す。
【００２１】
図９は関節アーム機構２６の機構模式図である。図９の例では、関節アーム機構２６は直交アーム機構を構成しており、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿ったスライド機構３０，３１，３２を有している。さらに音響探査子３の姿勢を自由な角度に移動するため、回転軸α軸３３、β軸３４が装備されている。
この場合、基準点を原点とする音響探査子３の位置（Ｘｄｉｓｐ、Ｙｄｉｓｐ、Ｚｄｉｓｐ）は、図２の探査位置計測装置１６（図７の場合はアーム位置制御器２４）において式（７）から式（９）のように計算される。
Ｘｄｉｓｐ＝Ｘａ＋ＤｓｉｎＡ・ｃｏｓＢ・・・・（７）
Ｙｄｉｓｐ＝Ｙａ＋ＤｓｉｎＡ・ｓｉｎＢ・・・・（８）
Ｚｄｉｓｐ＝Ｚａ＋Ｚｏ＋ＤｃｏｓＡ    ・・・・（９）
ここで、Ｘａ、Ｙａ、Ｚａはそれぞれ各直交スライド機構３０〜３２の変位量、Ａ、Ｂはそれぞれ回転軸３３，３４の回転角、Ｚｏはバケット上の基準点からアーム機構の原点までの変位量を示す。
以上のように計算された探査位置情報は計測ポイント毎に図２の計測位置データ記憶器１７（図７の場合はアーム位置制御器２４）に格納される。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、軌道上の原点からのキロ程，基準マーキング，又は基準位置からの計測車両の変位情報と、計測車両上の基準点からの音響探査子の変位情報とに基づき、音響探査子の探査位置を計測して音響探査子を位置決めし、探査位置に接触させた上記音響探査子から音響弾性波を注入し、探査位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工の内部の状態を判定することにより、トンネル覆工内部の状態を定量的に把握することができるので、トンネル覆工の状態を時間的変化として管理することができる。また、計測車両により音響探査子を容易に移動させることができ、計測車両及び音響探査子の各変位情報に基づいて探査位置を計測するので、探査位置の精度を向上させることができる。
また、覆工位置を検出、表示及び記録することにより、トンネル覆工の劣化管理を容易に行うことができる。
また、演算結果を表示及び記録することにより、トンネル覆工の劣化管理を容易に行うことができる。
また、反射エネルギーレベルを棒グラフで表示することにより、劣化の度合を容易に確認することができる。
また、反射エネルギーレベルが同じである複数の探査位置を等高線で表示することにより、トンネル覆工の内部の状態を容易に把握することができる。
【００２３】
また、アーム機構は、１軸又は複数軸の自由度を有する関節アーム機構とし、予めプログラムされた教示プログラムに基づくプレイバックにより、又は、予め計測動作がプログラミングされたプログラムにより、予め計画された探査位置に位置決めするので、音響探査子を探査位置に容易に精度よく位置決めすることができる。
さらに、音響探査子を音響弾性波の指向角と計測深度とから決定される計測範囲の幅、又は上記計測範囲の幅より短い距離だけシフトさせることにより、計測深度内を効率よく計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  欠陥部が存在するトンネル覆工の一部を示す断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図３】  音響探査子に供給される周波数が連続的に変化する駆動電流を示す説明図である。
【図４】  音響探査子の指向角を模式的に示した説明図である。
【図５】  探査位置で得られた計測結果を表示した説明図である。
【図６】  探査位置で得られた計測結果を等高線で表示した説明図である。
【図７】  この発明の実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図８】  基準点及び探査位置の関係の一例を示す説明図である。
【図９】  関節アーム機構の機構模式図である。
【符号の説明】
２  トンネル覆工、３  音響探査子、１４，２２  計測車両、２０  棒グラフ。
【図１】
0004535581.tif 000003
【図２】
0004535581.tif 000004
【図３】
0004535581.tif 000005
【図４】
0004535581.tif 000006
【図５】
0004535581.tif 000007
【図６】
0004535581.tif 000008
【図７】
0004535581.tif 000009
【図８】
0004535581.tif 000010
【図９】
0004535581.tif 000011